專利名稱：高靈敏溫控厚膜混合集成電路的集成方法
技術領域：
本發明涉及集成電路，具體來說，涉及高靈敏溫控厚膜混合集成電路。
背景技術：
原有的工作溫度可控混合電路集成技術中，在工作溫度可控集成電路的混合集成面采用二維平面集成技術，將分離的熱敏片式電阻、熱敏傳感信號處理芯片、溫控器件主芯片、其他有源或無源元器件等直接裝貼在厚膜基片上，再采用鍵合絲(金絲或硅鋁絲)進行鍵合，完成整個電器連接，最后在特定的氣氛中將管基和管帽進行密封而成。原有技術由于采用二維平面集成技術，熱敏電阻等溫度傳感器件與需保護的溫控器件主芯片之間不可避免會有間隙，溫度傳感只能經過面積較小的側面熱輻射、襯底基片迂回傳導的方式感應熱量，因而，熱量傳導時間相應過長，造成熱信號反饋速度的大大延長，從而影響溫度控制的精度范圍，進一步加大溫控器件相關性能參數指標的溫度漂移范圍，限制溫控器件在高精·度、高穩定性使用的場合，或者增大應用系統的設計難度、復雜程度和使用成本。經檢索，涉及溫控混合集成電路的中國專利申請件僅有CN101295184號《具有溫控功能的集成電路、溫控加熱電路及恒溫保持裝置》，該集成電路包含一溫度調控模組及一加熱器，溫度調控模組能根據使用者設定一控制訊號，加熱器受溫度調控模組的控制訊號控制以產生一預定溫度的熱能。但該集成電路不屬于高靈敏溫控混合集成電路。
發明內容
本發明的目的是提供一種高靈敏溫控厚膜混合集成電路的集成方法，以解決以下問題①熱敏電阻等溫度傳感器件與需保護的溫控器件主芯片之間在大面積方向上實現無間隙緊密接觸當溫控器件外界工作環境溫度發生變化時，其內部芯片工作環境溫度的變化范圍可控制在設定溫度的±5°C以內，從而降低溫控器件相關性能參數指標的溫度漂移范圍；③節省外貼熱電阻等溫度傳感器件的集成空間，進一步提高溫控制集成電路的集成度；④熱敏電阻等溫度傳感器件的形狀及大小可隨溫控器件主芯片的形狀及大小自行設定，免去受外貼熱電阻等溫度傳感器件形狀及大小的影響。發明人提供的高靈敏溫控厚膜混合集成電路的集成，是采用厚膜熱敏電阻與溫控器件主芯片一體化三維混合集成的方式來實現的，具體的集成方法包括以下步驟
第一步，先采用絲網印刷的方法，將選定的電阻厚膜漿料和金屬厚膜漿料按設計的掩模圖形，印刷到氮化鋁陶瓷基片(Al3N4)上，分別經高溫燒結和電阻修調，形成所需的厚膜電阻、金屬導帶、金屬鍵合區；
第二步，再采用絲網印刷的方法，將選定的熱敏電阻厚膜漿料按設計的掩模圖形，印刷到氮化鋁陶瓷基片(Al3N4)上，經高溫燒結和電阻修調，形成所需形狀和大小的厚膜熱敏電阻；
第三步，再用同樣的方法在熱敏電阻厚膜上形成厚膜絕緣介質層及芯片粘貼所需的厚膜金屬化層；第四步，采用常規混合集成電路組裝工藝，將熱敏傳感信號處理芯片、溫控器件主芯片、有源或無源元器件等直接裝貼在厚膜基片上；
第五步，采用鍵合絲進行鍵合，完成整個電器連接；
第六步，在特定的氣氛中將管基和管帽進行密封，即得到所需高靈敏溫控厚膜混合集成電路器件。上述方法的第一步中，所述電阻厚膜漿料是由電阻功能材料、玻璃粘結劑、有機溶齊U、改性劑調配而成的，其中電阻功能材料是釕系氧化物；所述金屬厚膜漿料是由導體功能材料、玻璃粘結劑、有機溶劑、改性劑等調配而成的，導體功能材料是鈀-金；所述高溫燒結控制的溫度為600°C 1050°C ;所述電阻修調是激光調阻。 上述方法的第二步中，所述熱敏電阻厚膜漿料是由熱阻敏感功能材料、玻璃粘結劑、有機溶劑、改性劑調配而成的，其中熱阻敏感功能材料是線性緩變型(LNTC, LPTC)、負溫度系數(NTC)溫度敏感的半導體陶瓷材料；所述高溫燒結控制的溫度為600°C 1050°C ；所述電阻修調是激光調阻。上述方法的第三步中，所述厚膜絕緣介質層是用陶瓷介質漿料印刷的，所述芯片粘貼所需的厚膜金屬化層是用鈀-金厚膜漿料印刷的。上述方法的第四步中，所述有源或無源元器件是半導體裸芯片、經封裝后的表貼式元器件。上述方法的第五步中，所述鍵合絲是金絲或硅鋁絲。 上述方法的第六步中，所述特定的氣氛是高真空或高純氮氣或氬氣。本發明的集成方法原理是由于實現了厚膜熱敏電阻與溫控器件主芯片在最大接觸面的無間隙接觸，可最大程度、最快地將主芯片的熱量傳導給熱敏電阻，經信號處理后，迅速將信號傳送到半導體熱電致冷單元(TEC單元)，以控制半導體熱電致冷單元(TEC單元)的電流方向，控制升溫或降溫頻率，從而達到溫度控制的目的。本發明方法的優點是①實現了厚膜熱敏電阻與溫控器件主芯片在最大接觸面的無間隙接觸，可最大程度、最快地將主芯片的熱量傳導給熱敏電阻，可最大程度、最快地將主芯片的熱量傳導給熱敏電阻，以快速控制半導體熱電致冷單元(TEC單元)，達到高靈敏溫度控制的目的當溫控器件外界工作環境溫度發生變化時，其內部芯片工作環境溫度的變化范圍可控制在設定溫度的±5°C以內，從而降低溫控器件相關性能參數指標的溫度漂移范圍采用厚膜絲網印刷和高溫燒結的方法代替原來的表面貼裝再流焊方法，實現厚膜熱敏電阻與主芯片的緊密接觸，減小熱傳導阻抗，因而，能提升器件的長期可靠性；④節省外貼熱電阻等溫度傳感器件的集成空間，進一步提高溫控制集成電路的集成度；⑤熱敏電阻等溫度傳感器件的形狀及大小可隨溫控器件主芯片的形狀及大小自行設定，免去受外貼熱電阻等溫度傳感器件形狀及大小的影響。采用本發明集成方法生產的器件廣泛應用于航天、航空、船舶、精密儀器、地質勘探、石油勘探、其他野外作業、通訊、工業控制等要求在外界環境溫度變化時，裝備必需具有高精度、高穩定性使用的場合，具有廣闊的市場前景。
圖I為發明前的集成方法示意圖；圖2為本發明方法的集成技術示意圖，圖3為控制電路不意圖。圖中I為器件管殼基座，2為氮化鋁(Al3N4)陶瓷基片襯底背面，3為半導體熱電致冷單元(TEC單元)，4為氮化鋁(Al3N4)陶瓷基片襯底表面，5為管腳，6為厚膜導帶/鍵合區，7為厚膜電阻，8為半導體芯片，9為表貼式熱敏電阻，10為傳感信號處理芯片，11為熱電致冷引腳，12為厚膜絕緣介質膜，13為厚膜熱敏電阻。
具體實施例方式實施例
貴州振華風光半導體公司研發的FHTC40溫控精密集成電壓基準源，主要用于精密測量、精密控制領域，為系統提供精密、低溫漂的電壓基準，典型工作環境溫度在_80°C 180。。。該器件的核心部分是一塊高精密電壓基準芯片即器件主芯片、一個用于溫控信號 采集的自制厚膜熱敏電阻、一塊用于溫控信號處理和放大的小功率精密運算放大器芯片。采用本發明技術——厚膜熱敏電阻與溫控器件主芯片一體化三維混合集成技術進行制作。具體工藝如下
(1)陶瓷基片的選取為便于熱量的快速傳遞，以及與半導體芯片在熱膨脹方面的匹配性，采用氮化鋁陶瓷基片(Al3N4)作襯底；
(2)采用絲網印刷、高溫燒結、電阻修調的方法，在氮化鋁陶瓷基片(Al3N4)襯底表面形成所需的釕系厚膜電阻、鈀-金導帶和鍵合區；
⑶在氮化鋁陶瓷基片(Al3N4)襯底的另一面同上述方法形成鈀-金導帶和焊接區，用于半導體熱電致冷單元(TEC單元)的集成；
(4)采用絲網印刷、高溫燒結、電阻修調的方法，絲印、燒結線性厚膜電子漿料，修調電阻阻值，形成所需形狀和大小的厚膜熱敏電阻；
(5)采用絲網印刷、高溫燒結的方法，在熱敏電阻厚膜上形成圖2所示的7240D系列絕緣介質層及芯片粘貼所需的鈀-金金屬化層；
(6)半導體熱電致冷單元(TEC單元)的集成在另一氮化鋁陶瓷基片(Al3N4)上采用采用絲網印刷、高溫燒結的方法，生產一層導電性、導熱性、可焊性優良的鈀-金導帶和焊接區。(7)采用以碲化鉍為基體的三元固溶晶體材料，其中P型半導體材料為Bi2Te3-Sb2Te3, N型半導體材料為=Bi2Te3-Bi2Se3，半導體晶園厚度為O. 5mm左右，對晶園的正反面進行金金屬化(厚度在I. 5 μ m左右)，并進行充分的合金。在劃片機上，按規定的尺寸進行劃片，分離出所需的N型和P型半導體晶粒；
⑶晶粒定位放置與固定在專用不銹鋼夾具中，將頂層氮化鋁陶瓷基片(A13N4)、N型和P型半導體晶粒、底層氮化鋁陶瓷基片(A13N4)、合金片按規定的位置定位放置，并固定；
(9)合金焊接在真空合金爐中，完成N型和P型半導體晶粒的合金焊接；
CO)將合金焊接后的一體化基片采用合金焊的方式組裝到管座上；
(ID按常規集成電路組裝工藝，進行半導體芯片、其他貼片元器件的組裝；
(12)鍵合采用硅鋁絲進行鍵合，整個電氣連接；
(13)烘烤在高純氮的保護下、在150°C左右的爐子中進行8小時以上的主高溫烘烤，將水汽徹底烘干；
(14)封帽在氬氣環境中進行封帽，完成整個器件的集成與生產工作；。(15)測試、篩選、打印與包裝按產品工藝文件與檢驗文件，完成器件的測試、篩選、打印與包裝工作。采用此集成技術制作的器件，冷端與熱端的溫差Λ T在常溫下能達到65°C以上，在125°C 200°C的高溫環境中，能達到75°C以上，典型工作環境溫度在_80°C 180°C，實現了設計目的，完全滿足用戶的要求。·
權利要求
1.一種高靈敏溫控厚膜混合集成電路的集成方法，其特征在于該方法采用厚膜熱敏電阻與溫控器件主芯片一體化三維混合集成的方式來實現，厚膜熱敏電阻集成于溫控器件主芯片的正下方，形狀及大小可隨溫控器件主芯片的形狀及大小自行設定，具體方法包括以下步驟 第一步先采用絲網印刷的方法，將選定的電阻厚膜漿料和金屬厚膜漿料按設計的掩模圖形，印刷到氮化鋁陶瓷基片上，分別經高溫燒結和電阻修調，形成所需的厚膜電阻、金屬導帶、金屬鍵合區； 第二步，再采用絲網印刷的方法，將選定的熱敏電阻厚膜漿料按設計的掩模圖形，印刷到氮化鋁陶瓷基片上，經高溫燒結和電阻修調，形成所需形狀和大小的厚膜熱敏電阻； 第三步，再用同樣的方法在熱敏電阻厚膜上形成厚膜絕緣介質層及芯片粘貼所需的厚膜金屬化層； 第四步，采用常規混合集成電路組裝工藝，將熱敏傳感信號處理芯片、溫控器件主芯片、有源或無源元器件直接裝貼在厚膜基片上； 第五步，采用鍵合絲進行鍵合，完成整個電器連接； 第六步，在特定的氣氛中將管基和管帽進行密封，即得到所需高靈敏溫控厚膜混合集成電路器件。
2.如權利要求I所述的集成方法，其特征在于第一步中，所述電阻厚膜漿料是由電阻功能材料、玻璃粘結劑、有機溶劑、改性劑調配而成的；所述金屬厚膜漿料是由屋體功能材料、玻璃粘結劑、有機溶劑、改性劑調配而成的；所述高溫燒結控制的溫度為600°C 1050°C ;所述電阻修調是激光調阻。
3.如權利要求I所述的集成方法，其特征在于第二步中，所述熱敏電阻厚膜漿料是由熱阻敏感功能材料、玻璃粘結劑、有機溶劑、改性劑調配而成的；所述高溫燒結控制的溫度為600°C 1050°C ;所述電阻修調是激光調阻。
4.如權利要求I所述的集成方法，其特征在于第三步中，所述厚膜絕緣介質層是用陶瓷介質漿料印刷的，所述芯片粘貼所需的厚膜金屬化層是用鈀-金厚膜漿料印刷的。
5.如權利要求I所述的集成方法，其特征在于第四步中，所述有源或無源元器件是半導體裸芯片、經封裝后的表貼式元器件。
6.如權利要求I所述的集成方法，其特征在于第五步中，所述鍵合絲是金絲或硅鋁絲。
7.如權利要求I所述的集成方法，其特征在于第六步中，所述特定的氣氛是高真空或高純氮氣或氬氣。
全文摘要
一種高靈敏溫控厚膜混合集成電路的集成方法，該方法是先采用絲網印刷的方法，印刷形成厚膜電阻、金屬導帶、金屬鍵合區；再用絲網印刷的方法，印刷形成厚膜熱敏電阻；用同樣的方法在熱敏電阻厚膜上形成厚膜絕緣介質層及芯片粘貼所需的厚膜金屬化層；之后用常規混合集成電路組裝工藝，將熱敏傳感信號處理芯片、溫控器件主芯片、其他有源或無源元器件等直接裝貼在厚膜基片上，用鍵合絲進行鍵合，最后在特定的氣氛中將管基和管帽進行密封，即得到所需高靈敏溫控厚膜混合集成電路器件。本方法實現了厚膜熱敏電阻與溫控器件主芯片在最大接觸面的無間隙的原子間接觸，可最大程度、最快地將主芯片的熱量傳導給熱敏電阻，以實現高靈敏溫度控制。
文檔編號H01L21/98GK102891113SQ20121039619
公開日2013年1月23日 申請日期2012年10月18日 優先權日2012年10月18日
發明者楊成剛, 蘇貴東, 楊萍 申請人:貴州振華風光半導體有限公司